摘要：本文系統(tǒng)介紹了GPS的原理和其三大子系統(tǒng)，著重介紹了GPS系統(tǒng)在交通運輸中的應用，包括在道路工程、汽車導航和交通管理中的應用以及其他應用

　　一、全球定位系統(tǒng)GPS簡介

　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是美軍70年代初在“子午儀衛(wèi)星導航定位”技術上發(fā)展而起的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性優(yōu)勢的導航定位、定時、測速系統(tǒng)。GPS由三大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)。

　　空間衛(wèi)星系統(tǒng)空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在6個軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，各軌道平面相對于赤道平面的傾角為550，軌道平面間距600。在每一軌道平面內(nèi)，各衛(wèi)星升交角距差900，任一軌道上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道上的相應衛(wèi)星超前300。事實上，空間衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量要超過24顆，以便及時更換老化或損壞的衛(wèi)星，保障系統(tǒng)正常工作。該衛(wèi)星系統(tǒng)能夠保證在地球的任一地點向使用者提供4顆以上可視衛(wèi)星。

　　空間系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每12小時（恒星時）沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘（基頻F=10.23MHZ）控制無線電發(fā)射機在“低噪音窗口”（無線電窗口中，2至8區(qū)間的頻區(qū)天線噪聲最低的一段是空間遙測及射電干涉測量優(yōu)先選用頻段）附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)地播發(fā)GPS導航信號。GPS工作衛(wèi)星組網(wǎng)保障全球任一時刻、任一地點都可對4顆以上的衛(wèi)星進行觀測（最多可達11顆），實現(xiàn)連續(xù)、實時地導航和定位。

　　GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導航電文是一種不歸零的二進制數(shù)據(jù)碼D（t），碼率fd=50HZ.為了節(jié)省衛(wèi)星的電能、增強GPS信號的抗干擾性、保密性，實現(xiàn)遙遠的衛(wèi)星通訊，GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對D碼作二級調(diào)制，即先將D碼調(diào)制成偽噪聲碼（P碼和C/A碼），再將上述兩噪聲碼調(diào)制在L1、L2兩載波上，形成向用戶發(fā)射的GPS射電信號。因此，GPS信號包括兩種載波（L1、L2）和兩種偽噪聲碼（P碼、C/A碼）。這四種GPS信號的頻率皆源于10.23MHZ（星載原子鐘的基頻）的基準頻率。基準頻率與各信號頻率之間存在一定的比例。其中，P碼為精確碼，美國為了自身的利益，只供美國軍方、政府機關以及得到美國政府批準的民用用戶使用，C/A碼為粗碼，其定位和時間精度均低于P碼，目前，全世界的民用客戶均可不受限制地免費使用。

　　地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的5個監(jiān)測站、一個主控站和三個注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)的功能是：對空間衛(wèi)星系統(tǒng)進行監(jiān)測、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導航電文。

　　地面監(jiān)控系統(tǒng)各站的主要任務是：

　　監(jiān)測站用GPS接收系統(tǒng)測量每顆衛(wèi)星的偽距和距離差，采集氣象數(shù)據(jù)，并將觀測數(shù)據(jù)傳送給主控點。5個監(jiān)控站均為無人守值的數(shù)據(jù)采集中心。

　　主控站主控站接收各監(jiān)測站的GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、各監(jiān)測站和注入站自身的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述各類數(shù)據(jù)，完成以下幾項工作：

　　及時編算每顆衛(wèi)星的導航電文并傳送給注入站……控制和協(xié)調(diào)監(jiān)測站間、注入站間的工作，檢驗注入衛(wèi)星的導航電文是否正確以及衛(wèi)星是否將導航電文發(fā)給了GPS用戶系統(tǒng)……診斷衛(wèi)星工作狀態(tài)，改變偏離軌道的衛(wèi)星位置及姿態(tài)，調(diào)整備用衛(wèi)星取代失效衛(wèi)星。

　　注入站接受主控站送達的各衛(wèi)星導航電文并將之注入飛越其上空的每顆衛(wèi)星。

　　用戶接收系統(tǒng)用戶接收系統(tǒng)主要由以無線電傳感和計算機技術支撐的GPS衛(wèi)星接收機和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

　　GPS接收機GPS衛(wèi)星接收機的基本結(jié)構(gòu)是天線單元和接收單元兩部分。天線單元的主要作用是：當GPS衛(wèi)星從地平線上升起時，能捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收放大GPS信號。接收單元的主要作用是：記錄GPS信號并對信號進行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，解求信號在站星間的傳播時間和載波相位差，實時地獲得導航定位數(shù)據(jù)或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時等數(shù)據(jù)。

　　微處理器是GPS接收機的核心，承擔整個系統(tǒng)的管理、控制和實時數(shù)據(jù)處理。視屏監(jiān)控器是接收機與操作者進行人機交流的部件。

　　目前，國際上已推出幾十種測量用GPS接收機，各廠商的產(chǎn)品朝著實用、輕便、易于操作、美觀價廉的方向發(fā)展。

　　GPS數(shù)據(jù)處理軟件GPS數(shù)據(jù)處理軟件是GPS用戶系統(tǒng)的重要部分，其主要功能是對GPS接收機獲取的衛(wèi)星測量記錄數(shù)據(jù)進行“粗加工”、“預處理”，并對處理結(jié)果進行平差計算、坐標轉(zhuǎn)換及分析綜合處理。解得測站的三維坐標，測體的坐標、運動速度、方向及精確時刻。

　　GPS定位技術是正在發(fā)展中的高新技術，數(shù)據(jù)處理技術也處在不斷更新之中，各系列GPS接收機制造廠家研制的處理軟件也各具特色。

　　GPS定位的基本方法GPS定位采用空間被動式測量原理，即在測站上安置GPS用戶接收系統(tǒng)，以各種可能的方式接收GPS衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送的各類信號，由計算機求解站星關系和測站的三維坐標。

　　由對GPS信號觀測量的不同，GPS定位的基本方法有以下幾種形式：

　　偽距測量。載波相位測量。多普勒測量。衛(wèi)星射電干涉測量

　　為了精密定位，一臺GPS接收機往往不是單純采用一種測量方式，而是以某種方式為主，并輔以其他方法。

　　目前，全球定位系統(tǒng)已廣泛應用于軍事和民用等眾多領域中。GPS技術按待定點的狀態(tài)分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩大類。靜態(tài)定位是指待定點的位置在觀測過程中固定不變的，如GPS在大地測量中的應用。動態(tài)定位是指待定點在運動載體上，在觀測過程中是變化的，如GPS在船舶導航中的應用。靜態(tài)相對定位的精度一般在幾毫米幾厘米范圍內(nèi)，動態(tài)相對定位的精度一般在幾厘米到幾米范圍內(nèi)。對GPS信號的處理從時間上劃分為實時處理及后處理。實時處理就是一邊接收衛(wèi)星信號一邊進行計算，獲得目前所處的位置、速度及時間等信息；后處理是指把衛(wèi)星信號記錄在一定的介質(zhì)上，回到室內(nèi)統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理。一般來說，靜態(tài)定位用戶多采用后處理，動態(tài)定位用戶采用實時處理或后處理。

　　二、GPS在

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